JPH01252704A - 複合部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属基材と焼結合金層との積層構造を有する
複合部材およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

熱間圧延用または冷間圧延用ロールの胴部表面は、摩耗
が少ないこと、肌荒れ（亀裂、凹凸、欠は等）が生じに
くいこと、および被圧延材との焼付きを生じにくいこと
等が必要である。従来より、熱間圧延用ロールとしては
、鋳鉄からなる胴部を有する鋳鉄ロールが、冷間圧延用
ロールとしては、鍛鋼からなる胴部を有する鍛鋼ロール
が使用されており、また、その耐摩耗性を高めるために
、鋳鉄ロールでは、胴部を高合金化し、セメンタイト、
および複炭化物、その他の特殊炭化物を晶出させること
により硬度を高め、他方鍛鋼ロールでは、胴部の高合金
化と、焼入れ・焼もどしの熱処理により、マルテンサイ
ト変態、ベイナイト変態、および二次硬化等を生起させ
て高硬度化を図っている。なお、冷間圧延用ロールとし
ては、上記のほかに、合金粉末（Ｃ：ｌ、３〜３％、Ｃ
ｒ：１５〜２１％、Ｗ＋２Ｍｏ　：　８％以下）を焼結
材料とする焼結晶を使用することも提案されている（特
開昭５８−２１３８５６号）。

〔発明が解決しようとする課題〕

鋳鉄ロールおよび鍛鋼ロールのいずれも、その胴部は、
鋳造品を素材として製作される。これらの鋳造品は一般
に組繊が粗大であり、炭化物は粗大なネット状の晶出形
態を呈する。鋳鉄ロールの胴部は、この粗大な鋳造組織
を殆どそのまま有し、他方鍛鋼ロールの場合は、加工と
熱処理による組織変化を経由するけれども、もとの鋳造
組織の影響をうけるため、その組織は比較的粗大である
。

そのため、これらのロールは、耐摩耗性は比較的良好で
あるが、靭性や延性等の機械的性質に劣るという問題が
ある。他方、前記合金粉末の焼結材は、緻密で微細な組
織を有し、鋳鉄ロールや鍛鋼ロールを凌ぐ耐摩耗性・耐
肌荒性と共に、良好な機械的性質を備えているが、被圧
延材との間に焼付が生じ易いという欠点がある。

本発明は上記に鑑み、圧延ロール等として好適な耐摩耗
性、耐肌荒性および耐焼付性等の表面特性、並びに良好
な機械的性質、特に強靭性を具備する複合部材およびそ
の製造方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段および作用］本発明の複合
部材は、金属基材と、その表面要所に積層形成された焼
結合金層からなり、前記焼結合金層は、Ｃ：２〜３．５
％、Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ：
３〜６％、Ｖ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４％、Ｃｏニア
　〜１４％、Ｍｏ：３〜９％、残部実質的にＦｅからな
り、マルテンサイトもしくはベイナイト基地に粒径１０
μｍ以下のＭＣ型および／またはＭ６Ｃ型炭化物が分散
析出した金属組織を有することを特徴としている。

以下、本発明について、まずその焼結合金層の成分限定
理由を説明する。％は重量％である。

Ｃ：２〜３．５％ Ｃは、マトリックスに固溶し、また一部は■やＷと結合
して炭化物を形成することにより焼結合金の硬度を高め
る。ｃｌの下限値を２％としたのは、それより少ないと
、ＶやＷの炭化物の形成に必要なｃｌのバランスが悪く
、焼結合金を高合金化したことの効果が十分に得られず
、他方３．５％をこえると、■やＷの炭化物の粗大化等
により靭性が低下する。よって、２〜３．５％とした。

Ｓｉ：０．４％以下 Ｓｉは焼結合金の焼入れ性を高めるが、焼もどし処理に
よる二次硬化への関与は殆どないため、高温硬さの改善
効果は小さく、従って０．４％までの添加で十分である
。

Ｍｎ：０．４％以下 Ｍｎは焼結合金の焼入れ性を改善する元素であるが、焼
もどし処理による二次硬化は期待できないので、高温硬
さの改善効果は小さく、従って０．４％までの添加で十
分である。

Ｃｒ：３〜６％ Ｃｒは焼結合金のマトリックスに固溶して焼入性を大き
く高め、また焼もどし軟化抵抗性を示す元素である。こ
の効果を得るには３％以上の添加を必要とする。しかし
、Ｃｒの増量は、焼結合金の焼付抵抗性の低下を招き、
特に熱間圧延用ロール等の用途においては、６％をこえ
ると、実用上焼付の問題が生じる。よって、Ｃｒ量は３
〜６％とした。

Ｖ：６〜１２％ ■は本発明における焼結合金の成分構成を特徴づける最
も重要な元素の１つである。すなわち、■は、焼結合金
のマトリックスに固溶し、焼入れ後の焼もどし処理によ
り、微細なＭＣ型炭化物として析出し顕著な二次硬化現
象を生起し、併せて焼もどし軟化抵抗性を示す。また、
焼結合金組織の微細化とそれによる靭性等の機械的性質
の向上に寄与する。その添加量が、６％未満の少量であ
っても、組織の微細化による機械的性質の改善効果は得
られるが、焼もどし処理により十分な星のＭＣ型炭化物
を析出させて高硬度・高耐摩耗性を得るには、少なくと
も６％の添加を必要とする。

添加量の増加に伴ってその効果は増すが、１２％をこえ
ると、析出炭化物が粗大化し、靭性等の機械的性質が低
下し、また切削加工性等が悪くなる。

よって、ＶｊＪは６〜１２％とした。

Ｗ：５〜１４％ Ｗは前記■と並ぶ重要な元素である。すなわち、Ｗは強
力な炭化物形成元素であり、マトリックスに固溶し、焼
もどし処理によりＭＣ型炭化物として微細析出し顕著な
二次硬化を生起させる。また焼もどし軟化抵抗性を示す
。添加量の下限値を５％としたのは、それより少ないと
、ＭＣ型炭化物の析出量が不足し、十分な二次硬化を達
成できないからである。添加量を増すほど、その効果は
増大するが、１４％をこえると、析出炭化物の粗大化に
より、靭性等の機械的性質の低下をみる。よって、５〜
１４％に規定した。

Ｃｏ：７〜１４％ Ｃｏは、焼もどし処理による炭化物の析出と、マトリッ
クスの二次マルテンサイト化による焼結合金の強化を助
長すると共に、高温硬さの向上に奏効する。この効果を
得るには、少なくとも７％の添加を必要とするが、１４
％をこえるとその効果はほぼ飽和する。従って、７〜１
４％とした。

Ｍｏ：３〜９％ Ｍｏは、焼入れ性を高めると共に、焼もどし処理により
微細な炭化物を形成して顕著な二次硬化を生起し、高温
硬さの保持に奏効する。添加量が３％に満たないと、そ
の効果が十分でなく、他方９％をこえると、その効果は
ほぼ飽和する。よって、３〜９％とした。

第１図は本発明の複合部材の例として、円筒形状を有す
る金属基材（１０）の外周面に前記成分組成を有する焼
結合金層（２０）を形成した円筒体の断面構造を模式的
に示している。この複合体は、例えばその中空孔内にア
ーバー（３０，３０）を嵌着して圧延ロールとして使用
される。図の例では、一定の層厚を有する焼結合金層（
２０）を基材（１０）の外周面の全体に亘って形成して
いるが、必ずしもそうである必要はなく、その用途・使
用条件に応じた必要な部分にのみ選択的に設け、他の部
分は基材の表面が露出したままの部分複合構造としてよ
いことはいうまでもない。

本発明の複合部材は、前記成分組成を有する金属粉末を
焼結材料とし、熱間静水圧加圧焼結法により、金属基材
（鋳造材等）の表面に焼結合金層を形成し、ついでその
焼結合金層の調質のための焼入れおよび焼もどし処理を
行うことにより製造される。すなわち、金属基材の表面
に、適宜のカプセル材を用いて焼結材料である金属粉末
の充填層を形成し、その粉末充填層内を脱気したうえ、
密封し、熱間静水圧加圧焼結に付し、好ましくは９００
〜１２００℃Ｘ５００〜１５００ｋｇ　ｒ　／　ｃｒＡ
の条件下に焼結合金層を形成する。使用する金属粉末は
、形成される焼結合金層の組織を均質微細なものとする
ために、粒径約３０〜２５０μｍのものが好ましい。な
お、粉末が比較的多量の酸化皮膜を有するものである場
合には、その粉末充填層の脱気・密封を行う前に、加熱
下に還元ガスを導入して酸化皮膜を還元すればよい。焼
結完了後、カプセル材の除去および必要な形状修正のた
めの機械加工が加えられる。なお、金属基材の材質は、
目的とする複合部材の用途・使用条件等に応じて任意に
選択されるものであり、例えば圧延用ロール等のように
強度や靭性を必要とするものである場合は、各種の強靭
鋼、例えば、ＳＣＭ鋼やＳＮＣＭ鋼等を使用すれば十分
である。

焼結合金層の焼入れ処理における焼入れ温度は１０５０
〜１２５０℃１好ましくは、１１００〜１２００℃であ
り、またその温度からの冷却は、亀裂・変形等の防止の
ために、略常圧のガスを冷媒とするガス冷却、または加
圧ガス（例えば３〜７　ｋｇ　ｆ　／ｃｆｆｌ）を冷媒
とする強制ガス冷却により行うことが好ましい、上記焼
入れ処理につづく焼もどし処理は、５００〜６００℃１
より好ましくは５２０〜５８０℃に加熱保持した後、徐
冷する操作を１回または複数回（例えば２〜４回）反復
することにより好適に達成される。この焼もどし処理に
より、焼結合金層は、そのマトリックスのオーステナイ
トからマルテンサイトもしくはベイナイトへの相変態と
、ＭＣ型および／またはＭ、Ｃ型炭化物の析出による二
次硬化が生起する。その析出炭化物の粒径は、約１０μ
ｍ以下（おおむね、数μｍないしそれ以下）と極微細で
あり、また析出量は面積率で約２５〜３５％と、一般の
溶製材における炭化物量（通常、約１０〜１５％）に比
し豊富であり、かつ均一分散性を有している。

焼結合金層の層厚は特に限定されないが、圧延ロール等
として使用されるものである場合、約３閣より薄い層厚
では、圧延時の圧延荷重により、焼結合金層内に生じる
剪断応力の作用で焼結合金層に剥離が生じ易くなるので
、約３１１１Ｉ１１以上とするのが好ましい。層厚を厚
くする程、耐久性は向上するが、あまり厚くすると、焼
結合金層の緻密性の低下や熱応力による亀裂の発生傾向
の増加等をみるので、約２５胴を上限とするのが適当で
ある。

本発明の複合部材は、熱間静水圧加圧焼結により形成さ
れる焼結合金層の緻密かつ微細な組織と、その合金成分
組成および焼入れ・焼もどしの熱処理効果とが相まって
、高度の耐摩耗性、耐肌荒性および耐焼付性を備え、ま
た金属部材との複合構造であるので、例えばこれを圧延
用ロールの胴部材として使用する場合に必要な強度・靭
性等の機械的性質をも兼ね備えていると共に、アーバー
などの他部材と組合せる場合にも、焼嵌め等の簡単な操
作により所望の構造部材に組立てることができる。

（実施例］ 災患尉土 第２図に示すように、円筒形状の金属基材（１０）に円
筒状金属カプセル材（Ｃ）を嵌装して溶接４合し、カプ
セル部材（Ｃ）の内側の空間内に、焼結材料である金属
粉末（Ｐ）を充填し、室温で脱気後、密封したうえ、熱
間静水圧加圧焼結に付す。焼結完了後、カプセル材（Ｃ
）を機械加工により除去すると共に、Ｉｎｎの余肉代を
残して粗加工を行う。

ついで、焼結合金層の調質のための焼入れ・焼もどし処
理を行う。上記工程を経て、焼結合金層である外層と金
属基材である内層との同心円状二層積層構造をもつ第１
図に示すような円筒形状の複合部材を得た。外径：３６
４胴、内径：　２２０ｍｍ、長さ：１００世、焼結合金
層層厚ニア価。

（１）金属基材 材質：　Ｓ　ＣＭ　４４０１１４　（０，４％Ｃ−０，
３５％Ｓ　ｉ　−０，７５％Ｍｎ−１％Ｃｒ　−０，２
％Ｍｏ）（ＩＦ）焼結材料（金属粉末） ガスアトマイズ粉末（５０〜１５０μｍ）成分組成（−
（％）　　：　Ｃ２，２，Ｓ　ｉ　　Ｏ，３，ＭｎＯ，
３，Ｃｒ　４．４．　　Ｖ　６．２．　Ｗ　７．１．　
　Ｃｏ　１０．８゜Ｍｏ　７．２．　　Ｆ　ｅ　Ｂａｆ
。酸素濃度１５０ｐｐｍ。

（ｍ）焼結条件 １１５０℃Ｘ１０００ｋｇ　ｆ　／ＣＴＡＸ　３　Ｈｒ
（ＩＶ）焼結合金層の熱処理 （１）焼入れ処理 真空焼入れチャンバー内にて１２００℃に１時間保持後
、ガス（常温常圧Ａｒガス）を導入してガス冷却による
焼入れを行う。

（２）焼もどし処理 ５４０℃に５時間加熱保持して放冷する処理を３回反復
実施する。

（Ｖ）焼結合金層の品質 （イ）健全性 ダイチエツク、および超音波探傷により、焼結合金層内
および金属基材との界面のいずれにも欠陥はなく、その
界面は、全周全長に亘って完全に融着結合していること
が確認された。

（ロ）ミクロ組織 顕微鏡観察により、鋳鉄系ロールに比べて均質微細な炭
化物（ＭＣ型、Ｍ、Ｃ型）が分析分散した緻密な組織を
存していることが認められる。第３図にその顕微鏡組織
（倍率：　４０００）を示す。炭化物粒径は約５μｍ以
下であり、面積率は約３０％である。

（ハ）硬度 得られた複合部材の焼結合金層の表面硬度は、その面方
向および深さ方向に亘って、ＨＲ託５〜６７と高く、バ
ラツキは±ＬＨ＋＋ｃ以下と小さく均質である。

（ニ）耐焼付性試験 回転する試験片の表面に相手材（ＳＯ５３０４）を押付
けて回転トルクを測定し、トルクの異常変動の有無によ
り試験片と相手材との摺接面間の焼付の有無を判定する
フレックス型焼付試験（押付荷重：　１．５０ｋｇ）に
より、上記供試材（試験面：焼結合金層）と、従来の鋳
造ロール材料の代表例であるチルド鋳鉄、および従来の
焼結合金（Ｃ２，８％。

Ｓｉ０．４％、Ｍｎ０．４％、Ｎｉ１．２％、Ｃｒ２Ｏ
％、Ｍｏ１％、Ｆｅ　　Ｂａｄ、焼結条件は前記と同一
）について焼付抵抗性の測定を行った。その試験におい
てチルド鋳鉄および比較焼結合金は、いずれも試験開始
後間もなくトルク値の異常変動が生じ、特に比較焼結合
金では荷重の増加に伴ってトルク値の鋭いピークがみら
れたのに対し、発明例の焼結合金層では、トルク値が安
定しており、相手材との摺接面間の焼付きの発生は全く
ないことが観察された。

（ホ）実機使用試験 本実施例の円筒形状を有する複合部材の中空孔内にアー
パーを焼嵌めにより嵌着し、圧延ロールとして必要な仕
上げ加工を行ったうえ、平鋼仕上圧延用ロールとして実
機使用に供した結果、従来の代表的鋳造ロールである高
硬度ダクタイル鋳鉄ロールに比し摩耗速度は数分の１以
下であり、摩耗および肌荒れは極く軽微で、被圧延鋼材
との焼付も皆無であった。

〔発明の効果〕

本発明の複合部材は、表面の耐摩耗性、耐肌荒れ性およ
び耐焼付性にすぐれ、また構造部材として必要な強靭性
等を備えていると共に、他部材との組立ても容易である
。本発明の複合部材を、例えば圧延用ロールの胴部材料
としてアーバー等と組合せて使用することにより、従来
のロールを凌ぐ安定した耐用寿命が得られ、またその胴
部表面状態が安定していることにより、被圧延材の品質
改善にも大きな効果が得られる。なお、本発明複合部材
は、そのほか軸受、シリンダ等の構造部材としても有用
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合部材の断面構造の例を示す径方向
半裁断面図、第２図は金属基材の外周面に焼結材料（金
属粉末）を充填した例を示す径方向半裁断面図、第３図
は焼結合金層の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真であ
る。 １０：金属基材、２０：焼結合金層、Ｃ：カプセル材。 Ｐ：焼結合金粉末。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属基材の表面要所に、Ｃ：２〜３．５％、Ｓｉ：
   ０．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ：３〜６％、
   Ｖ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４％、Ｃｏ：７〜１４％、
   Ｍｏ：３〜９％、残部実質的にＦｅからなり、マルテン
   サイトもしくはベイナイト基地に、粒径１０μｍ以下の
   ＭＣ型および／またはＭ＿６Ｃ型炭化物が分散析出した
   金属組織を有する焼結合金層が積層形成されていること
   を特徴とする複合部材。 ２、金属基材の表面要所に、Ｃ：２〜３．５％、Ｓｉ：
   ０．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ：３〜６％、
   Ｖ：６〜１２％、Ｗ：５〜１４％、Ｃｏ：７〜１４％、
   Ｍｏ：３〜９％、残部実質的にＦｅである粒径：３０〜
   ２５０μｍの金属粉末を焼結材料として、熱間静水圧加
   圧焼結法により焼結合金層を形成し、ついで１０５０〜
   １２５０℃からの焼入れ、および５００〜６００℃での
   焼もどし処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の
   複合部材の製造方法。